羅甸縣麻瘋樹能源林的碳匯功能

詹 鵬 ，歐國(guó)騰 ，陳介南 ，江 贏 ，張 林

（1.國(guó)家林業(yè)局生物乙醇研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 生物環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 貴州省羅甸縣林業(yè)局，貴州 羅甸 550100）

近年來，如何解決溫室效應(yīng)問題已成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。據(jù)有關(guān)研究資料，森林植物在其生長(zhǎng)過程中可吸收大氣中的CO2，并以生物量的形式將其固定在植物體內(nèi)和土壤中，使森林成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳匯，在緩解溫室氣體效應(yīng)方面發(fā)揮著巨大的作用[1-2]。造林、再造林工程，作為一種人為的土地利用變化和陸地管理活動(dòng)，影響到人工林的凈碳積累，在一定程度上也必將會(huì)對(duì)陸地的碳儲(chǔ)量產(chǎn)生重要的影響[3-4]。因此，進(jìn)行能源林碳匯研究，不僅能準(zhǔn)確評(píng)估人工林對(duì)碳的吸收量和吸收潛力，為全球陸地碳循環(huán)研究奠定科學(xué)基礎(chǔ)；同時(shí)這也是林業(yè)生物質(zhì)能源碳匯評(píng)價(jià)體系中的重要環(huán)節(jié)，能為能源林造林與再造林提供決策依據(jù)[5]。

麻瘋樹Jatropha curcasLinn是大戟科麻瘋樹屬JatrophaL.植物，生長(zhǎng)繁殖快，耐貧瘠干旱，是綠化荒山、水土保持的良好樹種；其種仁含油率高達(dá)50%～60%，是世界范圍內(nèi)研制生物柴油的熱門植物[6]。規(guī)?；N植麻瘋樹，不僅可以利用麻瘋樹通過光合作用吸收大氣中的CO2，而且其根系生長(zhǎng)又可以固定土壤中的碳，增加森林的碳匯量，降低大氣中的CO2濃度，緩解溫室效應(yīng)。麻瘋樹果還可通過生物加工獲得生物柴油，以替代化石燃料，減少燃燒排放的CO2。為了了解麻瘋樹能源林的碳匯功能，文中以貴州省羅甸縣2年生麻瘋樹林地為研究對(duì)象，對(duì)原料林地土壤中的有機(jī)碳和植株的生物量進(jìn)行了測(cè)試與分析，評(píng)價(jià)其碳匯功能并分析其經(jīng)濟(jì)效益，從而為生物能源林碳匯功能的研究提供分析方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域的自然概況

羅甸縣位于貴州南部邊緣，地處106°23′～107°03′E、25°04′～ 25°45′N，總面積 3 013 km2。境內(nèi)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，具有春早、夏長(zhǎng)、秋遲、冬短的特點(diǎn)，日照時(shí)數(shù)為1 350～1 520 h，年平均溫度達(dá)20 ℃，極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫零下3.5 ℃，年均降雨量為1 335 mm，無霜期長(zhǎng)達(dá)335 d左右，氣候溫和，雨量充沛，資源豐富，有“天然溫室”之稱。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

在羅甸縣的納翁村（N25°24′54.41″；海拔702 m；年均溫度 18.3 ℃）、羅甸縣林場(chǎng)（N25°23′58.42″；海拔545 m；年均溫度20.1℃）、高里村（N25°15′51.89″；海拔 555 m；年均溫度 20.5 ℃）和紅水河鎮(zhèn)（N25°9′40.42″；海拔 825 m；年均溫度21.4 ℃）4個(gè)樣地內(nèi)各設(shè)1塊（10 m×10 m＝100 m2）由種子繁殖的2年生麻瘋樹標(biāo)準(zhǔn)樣地供研究，在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)又各設(shè)2個(gè)5 m×5 m＝25 m2的小樣方供采樣，共8個(gè)小樣方。

2.2 樣本采集

土壤樣本的采集：采用直徑為9 cm的土鉆在每個(gè)小樣方中心位置分層采集土樣，分別取距表層0～25、25～50 cm深處的土樣。將每塊樣地2個(gè)小樣方內(nèi)的分層樣土混合作為該樣地土樣，共取8份土樣。

植株樣本的采集：在每個(gè)小樣方內(nèi)中取樣本植株5株，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地10株，共40株，對(duì)其生物量進(jìn)行測(cè)定。

2.3 分析與計(jì)算

采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化法測(cè)定土壤中的有機(jī)碳含量，采用環(huán)刀法[7]測(cè)定土壤容重。

有機(jī)碳密度的計(jì)算公式為：

式中：SOCD表示土壤有機(jī)碳密度（kg·m-2）；n表示土層數(shù)；T表示某一土層的厚度（cm）；θ表示該土層的土壤容重（g·m-3）；c表示該土層的有機(jī)碳含量（g·kg-1）；δ%表示石礫體積百分比。

采用伐倒按器官稱重法測(cè)定各植株樣本的生物量。將各樣方內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，稱其鮮質(zhì)量，取部分鮮質(zhì)量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，置于80～105 ℃的烘箱中烘8 h，取出稱其干質(zhì)量，重復(fù)烘干直至絕干狀態(tài)，再稱重即得干生物量。

按照王宏等人[8]采用的重鉻酸鉀氧化-水合加熱法測(cè)定植物的碳密度：在不另行加熱的條件下，用H2SO4-K2Cr2O7溶液氧化有機(jī)碳，剩余的重鉻酸鉀則用標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵滴定，根據(jù)有機(jī)碳被氧化前后所消耗的重鉻酸鉀量計(jì)算麻瘋樹的有機(jī)碳含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤中的有機(jī)碳含量

各樣地0～50 cm土層中的土壤有機(jī)碳的分布情況如表1。由表1可知，羅甸縣2年生麻瘋樹樣地土壤有機(jī)碳含量和密度分別為42.64～49.54 g·kg-1和 139.80～ 114.75 t·hm-2。不同樣地土壤中的有機(jī)碳含量和密度在垂直分布上均隨土壤深度的增加而降低，且差異顯著（0.01＜p＜0.05）；而不同樣地同一土層中的有機(jī)碳含量和密度之間差異不顯著（p＞0.05）。各樣地的土壤有機(jī)碳含量從大到小依次為羅甸林場(chǎng)（49.54 g·kg-1）＞紅水河鎮(zhèn)（46.57 g·kg-1）＞高里村（46.13 g·kg-1）＞納翁村（42.64 g·kg-1）；其有機(jī)碳密度從大到小依次為羅甸林場(chǎng)（139.80 t·hm-2）＞紅水河鎮(zhèn)（129.77 t·hm-2）＞高里村（129.77 t·hm-2）＞納翁村。

3.2 各樣地麻瘋樹的生物量模型

羅甸縣2年生麻瘋樹的干生物量如表2所示。各樣地麻瘋樹的干生物量具有相同的變化規(guī)律，都是莖＞根＞葉，且三者之間差異顯著（0.01＜P＜0.05）。就不同樣地麻瘋樹的干生物總量而言，羅甸林場(chǎng)（13.230 g）＞高里村（12.114 g）＞紅水河鎮(zhèn)（11.385 g）＞納翁村（7.366 g）。羅甸縣2年生麻瘋樹的樹高、地徑、主根長(zhǎng)、莖、根、葉和總生物量的平均值分別為54.5 cm、21.6 cm、25.7 cm、7.772 g、2.119 g、1.132 g和 11.024 g。

表1 各樣地0～50 cm土層中土壤有機(jī)碳的分布情況Table 1 Distribution of organic carbon in 0-50 cm depth soil layer at the sample sites

表2 各樣地麻瘋樹的干生物量Table 2 Dry biomass of Jatropha curcas trees at different sample sites

根據(jù)Huxley[9]提出的相對(duì)生長(zhǎng)定律，分別取羅甸林場(chǎng)、高里村、紅水河鎮(zhèn)和納翁村樣地的麻瘋樹樣株的莖、根、葉和總質(zhì)量的平均值，以其分別代表羅甸縣麻瘋樹的莖、根、葉和總生物量（干質(zhì)量），建立了麻瘋樹的相對(duì)生長(zhǎng)模型。應(yīng)用Origin7.5軟件，以地徑為自變量，以其根、莖、葉及總生物量（干質(zhì)量）為因變量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到了如表3的羅甸縣2年生麻瘋樹根、莖、葉及林分生物量與其地徑的相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系模型。

表3 麻瘋樹根、莖、葉及林分生物量與地徑相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系模型?Table 3 Relative growth model of ground diameter with root, stem, leaf and biomass in Jatropha curcas

3.3 麻瘋樹的碳含量

各樣地麻瘋樹各器官的含碳量見表4。由表4可知，羅甸縣2年生麻瘋樹樣樹的根、莖、葉中的含碳量和單株的總含碳量分別為462.1～486.5、448.5～473.1、439.6～475.2和1 350.2～1 434.8 g·kg-1，其平均值分別為471.3、463.0、456.8和1 393.5 g·kg-1。各樣地麻瘋樹樣樹的根與莖的含碳量間的差異不顯著（P＞0.05），而葉片含碳量的差異卻顯著0.01＜P＜0.05）。不同樣地麻瘋樹單株的含碳量從大到小依次為：羅甸林場(chǎng)（1 434.8 g·kg-1）＞紅水河鎮(zhèn)（1 420.5 g·kg-1）＞高里村（1 420.5 g·kg-1）＞納翁村（1 350.2 g·kg-1）。根據(jù)各樣地麻瘋樹的種植密度及單株質(zhì)量可得出如表4的羅甸縣麻瘋樹林分的碳密度。由表4 可知，羅甸林場(chǎng)的林分碳密度最大（30.4 t·hm-2）。

表4 各樣地麻瘋樹各器官的含碳量Table 4 Carbon content in different organs of Jatropha curcas at different sample sites

3.4 各樣地碳匯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

參照我國(guó)森林碳匯的最優(yōu)價(jià)格（即10.11～15.17 美元·t-1，也即65.72～98.61元·t-1，1美元＝6.5人民幣）[10]，可計(jì)算得出如表5的羅甸縣2年生麻瘋樹林地碳匯的最優(yōu)效益。

表5 各樣地的碳匯效益Table 5 Economic benefits of carbon sink at different sample sites

4 結(jié) 論

貴州省羅甸縣2年生麻瘋樹林地0～50 cm土層中的有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度分別為46.22 g·kg-1和127.84 t·hm-2，不同麻瘋樹樣地其土壤中的有機(jī)碳含量及密度有差異，其中羅甸林場(chǎng)麻瘋樹林地的土壤有機(jī)碳含量（49.54 g·kg-1）及密度（139.80 t·hm-2）均最大。

羅甸縣2年生麻瘋樹的樹高、地徑、主根長(zhǎng)、莖、根、葉和單株總生物量的平均值分別為54.5 cm、21.6 cm、25.7 cm、7.772 g、2.119 g、1.132 g和11.024 g，不同樣地的麻瘋樹其生物量之間存在差異，其中羅甸林場(chǎng)麻瘋樹的長(zhǎng)勢(shì)最優(yōu)，其各組織器官的生物量均高于其他樣地的麻瘋樹。

羅甸縣2年生麻瘋樹根、莖、葉中的含碳量和單株含碳量的平均值分別471.3、463.0、456.8和1 393.5 g·kg-1，其中羅甸林場(chǎng)麻瘋樹的碳含量(1 434.8 g·kg-1)及林分碳密度(30.4 t·hm-2)均最大。

羅甸縣2年生麻瘋樹能源林的總固碳量為152.44 t·hm-2，其碳匯的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益值為1.0×105～ 1.5×105元·hm-2。

綜上所述，貴州省羅甸縣的羅甸林場(chǎng)麻瘋樹林的碳匯功能最強(qiáng)。

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